Максимально просто о гармониках и проблемах, возникающих от них | Публикации
Анонс: Что такое гармонические искажения, гармоники и как они влияют на стабильность электроснабжения и качество электроэнергии в сети. Эмиссия гармонических искажений силовым оборудованием, проблемы технических средств компенсации реактивной мощности и фильтров гармоник.
В идеале любой источник питания, в том числе ТП распределительной сети, должен стабильно давать ток идеально синусоидального напряжения в каждом месте силовой сети абонента-потребителя, однако по ряду причин электросетевым компаниям часто бывает трудно обеспечить такие условия из-за эмиссии и трансмиссии гармонических искажений. Гармонические искажения тока, напряжения далеко не новость, но в настоящее время они представляют собой одну из основных проблем, вызывающих нарушения стабильности электроснабжения и качества электроэнергии в электроэнергетике.
В первых электроэнергетических системах гармонические искажения в основном вызывались насыщением трансформаторов, промышленных дуговых печей, мощных электросварочных аппаратов и т.
п., а сами гармоники представляли сравнительно небольшую проблему из-за консервативной конструкции силового оборудования. Сегодня все более широкое использование нелинейных нагрузок в силовых сетях промышленных и непромышленных объектов обуславливает увеличение объемов гармонических искажений в распределительных сетях, причем именно через распределительные сети из-за «перегенерации» искажений трансформаторами ТП электросетевой компании силовые сети абонентов обмениваются гармониками между собой, (трансмиссия).
Наиболее часто используемой нелинейной нагрузкой является, пожалуй, ШИМ-преобразователь, широко используемый в сталелитейной, бумажной и текстильной промышленности, в приводах управление скоростью электродвигателя.
Гистограмма амплитуд гармоник, генерируемых в шестипульсном ШИМ-преобразователеНаряду с этим, свой вклад в засорение сетей гармониками вносят системы энергосберегающего освещения, электроника центров обработки данных, программно-технических комплексов АСУ, электрические транспортные системы, бытовые электроприборы и т.
д. К 2000 году было зафиксировано, что на электронные нагрузки приходилось около половины спроса на электроэнергию в США и развитых странах мира, а за два десятка лет нового века эта доля возросла до 70-80 %, и это вывело проблему гармонических искажений в перечень приоритетных и критических.
Для справки
Упрощенно, нелинейные нагрузки — это нагрузки, в которых форма волны тока не похожа на форму волны приложенного напряжения по ряду причин, например, из-за использования электронных переключателей, которые проводят ток только в течение части периода промышленной частоты и, следовательно, здесь закон Ома не может описать связь между напряжением и током. Среди наиболее распространенных нелинейных нагрузок — все типы выпрямительных устройств, в том числе источники бесперебойного питания, преобразователи напряжения компьютеров, частотно-регулируемые приводы, электрические печи, люминесцентные лампы и т. д. Нелинейные нагрузки вызывают искажение формы сигнала напряжения, перегрев трансформаторов и других силовых устройств, перегрузку по току проводов и клемм соединения оборудования, телефонные помехи, сбои в управлении микропроцессорами и пр.
Сам термин «гармоники» заимствован из области акустики, где он был связан с вибрацией струны или молекул воздуха с частотой, кратной базовой частоте, а гармоническая составляющая в системе питания переменного тока определяется как синусоидальная составляющая периодической формы волны, частота которой равна целому кратному основной частоте системы. Тогда гармоники в формах волны напряжения или тока можно представить, как идеально синусоидальные составляющие частот, кратных основной частоте: fn=(n)·f1, где n — порядок гармоники. Т. е. для наших сетей с f1=50 Гц частота третьей (n = 3) гармоники будет f3=3·50=150 Гц, пятой (n=5) f5=5·50=250 Гц, седьмой (n=7) f7=7·50=350 Гц и т. д. Хотя кривые зависимости тока на фундаментальной частоте и токов гармоник имеют форму синусоиды, результирующая кривая искажена из-за взаимного влияния токов разных частот (см. на рис. ниже).
Синусоиды тока фундаментальной частоты и токов 3, 5 и 7-й гармоник (сверху), результирующая кривая тока в силовой сети из-за взаимного влияния токов разных частот (снизуСитуация стала более сложной с применением конденсаторных батарей, используемых на промышленных предприятиях для коррекции коэффициента мощности, и энергокомпаниями для стабилизации напряжения вдоль распределительных линий.
Результирующее реактивное сопротивление емкости образует колебательный контур с индуктивным реактивным сопротивлением системы на определенной (резонансной) частоте, которая может совпадать с одной из характеристических гармоник нагрузки, что обуславливает значительный наброс токов гармоник, перенапряжения, способные повредить изоляцию. По факту далеко не решает проблему в полном объеме использование активных фильтров гармоник (АФГ), по сути, тех же ШИМ-преобразователей (инвертеров), которые демпфируют гармоники противофазными токами «ниже» места присоединения, а для силовой сети «выше» остаются источниками эмиссии гармонических искажений.
Такая ситуация ставит перед инженерами сложную задачу по выявлению и исправлению чрезмерных уровней гармонических искажений формы сигналов тока и напряжения от стадии планирования до стадии проектирования энергетических и промышленных установок, что позволит не только поддерживать сети и оборудование в оптимальных условиях эксплуатации, но и предвидеть потенциальные проблемы с интеграцией, модернизацией нелинейных нагрузок, а также технических средств для нивелирования перетоков реактивной мощности и/или фильтров гармоник.
Что измерять при гармонических искажениях?
Электрические сети в современный период все более подвергнуты так называемым гармоническим «загрязнениям», которые вызывают нежелательные последствия.
Характерным, на сегодняшний день, является значительное увеличение находящихся в эксплуатации электронных устройств: колоссальное количество персональных компьютеров, источников бесперебойного питания и другого электронного оборудования, в которых используются малогабаритные импульсные источники питания. Кроме того получили широкое распространение такие мощные электронные устройства, как электронные регуляторы скорости, зарядно-выпрямительные устройства и др.
Они представляют собой существенно нелинейную электрическую нагрузку и вызывают искажения синусоидальной формы кривых напряжения и тока, что приводит к возникновению гармонических «загрязнений» электрической сети.
По этой причине в настоящее время электрические сети практически всех производственных предприятий и офисных зданий в той или иной степени «загрязнены».
Гармонические «загрязнения» электросетей могут приводить к целому ряду повреждений электротехнического оборудования и к нанесению значительного ущерба технологическим процессам, главными из которых являются следующие :
1. Выход из строя конденсаторов, используемых для улучшения cos Ф электросети, а также в электролюминесцентных светильниках.
2. Выход из строя в результате перегрева нулевых проводов из-за того, что в них суммируются токи всех третьих гармоник, при этом ток нулевого провода может более чем в два раза превысить номинальное значение фазного тока.
3. Перегрев мощных силовых трансформаторов.
4. Перегрев электродвигателей.
5. Искажения электромеханических характеристик электродвигателей.
6. Ложное срабатывание устройств токовой релейной защиты, перегрев предохранителей, ложное срабатывание защиты из-за наличия токов утечки.
7. Повреждение межобмоточной изоляции в трансформаторах и электродвигателях.
8. Перегрев питающих проводов и электрических кабелей.
9. Недостоверные показания измерительных приборов и некоторых датчиков обратной связи в системах автоматизации технологических процессов.
Гармонические «загрязнения» даже кратковременного характера могут привести к сгоранию конденсаторов и к помехам в работе электронной аппаратуры.
В ряде случаев при использовании электронных устройств высокой мощности гармоники, возникающие на одном производственном предприятии, могут передаваться к другим предприятиям через общие сети электропитания и именно там причинять вред.
Практика показала, что значительная часть электриков недостаточно знакома с областью показателей, характеризующих гармонические искажения, существующими стандартами на эти параметры, а также с аппаратурой, используемой для их измерения и необходимой для их своевременного выявления.
В настоящей статье приводятся определения основных параметров гармоник, указаны приборы для измерения этих параметров и предупредительной сигнализации. Эти приборы могут осуществить также защитное отключение конденсаторов, включение различных ступеней фильтров и частичный сброс нагрузок.
Уровень гармонических искажений характеризуется следующими параметрами:
1. Спектр гармоник – включает в себя действующие значения ( RMS AC ) напряжений и токов гармоник до 40-й или 63-й. Результаты измерений можно получить как в форме таблиц, так и соответствующих графиков.
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM.
2. Коэффициент гармонических искажений по напряжению – THD ( V )% (Voltage Total Harmonic Distortion).
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091.
3. Коэффициент гармонических искажений по току — THD ( I )% (Current Total Harmonic Distortion).
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091.
4. Коэффициент гармонических искажений с учетом максимально потребляемого тока за определенный период Т – TDD % ( Total Demand Distortion ).
В большинстве случаев можно принять, что максимально потребляемый ток I DEM за определенный период Т — равен номинальному. При этом указанный период Т может изменяться от 1 минуты до 60 минут.
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH.
5. Коэффициент дополнительного нагревания трансформаторов из-за гармонических искажений- (К- Factor )
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения или частичный сброс нагрузок трансформаторов могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091, PM 130EH, RPM 072E.
Измерения токов, напряжений, мощностей и других параметров.
Для измерения истинных значений параметров ( True RMS AC ) при наличии гармонического «загрязнения» сети необходимы приборы, позволяющие осуществлять большое число мгновенных замеров текущих значений кривой, как правило, не менее 32 замеров за период.
Такие измерения могут выполняться приборами PM 172E, PM 172EH, PM 130 EH.
Когда имеется потребность в измерении True RMS AC с учетом гармоник до 63-й, необходимо осуществить не менее 128 замеров за период. Такие измерения могут выполняться приборами PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091.
Фирма SATEC изготовляет широкий набор приборов, основанных на новых технологиях, которые могут осуществлять измерения в электросетях, сильно «загрязненных» гармониками. Такие приборы способны измерять весь комплекс параметров, требуемых для того, чтобы охарактеризовать уровень гармоник и проверить их соответствие стандартам.
1. РМ 296 – имеет внутреннюю память, может осуществлять гармонический анализ, включая спектры напряжения, тока и мощности с учетом гармоник до 63-й. Он позволяет также выполнить анализ помех в сети, гармоник ограниченного времени действия, и различных событий, связанных с отличием от разрешенных стандартом значений параметров сети (напряжение, ток, частота, THD и др.
Этот прибор рекомендуется для измерений на особо ответственных объектах с чувствительным оборудованием, как например, в больницах, аэропортах, производственных предприятиях с непрерывным технологическим циклом, а также в помещениях с большим скоплением народа ( большие торговые центры, крупные офисные здания и др.).
2. PM 172E, PM 172EH, RPT 091, C 191 HM, PM 130 EH – в дополнение к обычным параметрам измеряют TDD ( I )%, THD ( I )%, THD ( U )%. Эти приборы рекомендуется устанавливать в местах, где прогнозируются значительные гармонические искажения, например, в производственных предприятиях с большим количеством регуляторов частоты, в крупных офисных зданиях и т.д.
Заключение.
1. Внедрение современной электронной техники вызывает значительное «загрязнение» электрических сетей гармониками, причем именно сама эта техника в наибольшей степени чувствительна к этим «загрязнениям».
2. Только цифровые измерительные приборы с применением микропроцессоров способны в этих условиях осуществлять достоверные измерения ( True RMS AC ) токов, напряжений и мощностей.
3. Для обеспечения надлежащей работы оборудования и предотвращения повреждений необходимо регулярно определять уровень гармоник в сети путем измерения следующих параметров: THD , TDD , K — Factor и гармонического спектра как для постоянно присутствующих гармоник, так и для гармоник с ограниченным временем действия.
4. Необходимо постоянно измерять ток в нулевом проводе питающей сети и получать предупреждающие сигналы при его выходе за пределы нормы.
5. В фирме SATEC разработан весь набор измерительных приборов, позволяющих выполнять измерения гармоник, осуществлять предупредительную сигнализацию, включать фильтры, отключать конденсаторы и осуществлять частичное отключение нагрузок.
Распечатать
Что такое общие гармонические искажения (THD)? — Аудиофильское ПО
УзнатьНовости
Написано Audiophile On
Общее гармоническое искажение – это измеренное значение разницы между входным сигналом и выходным сигналом усилителя.
Искажение звука — это именно то, на что он похож. Это лишнее вкладывается в конечный выходной сигнал и заставляет его звучать неправильно, т.е. искажать его чистую форму.
Аудиофилы усердно работают на всех этапах их настройки, будь то наушники и наушники вплоть до полноценных HiFi-динамиков аудиофильского уровня , чтобы уменьшить искажения звукового сигнала везде, где это возможно, и сегодня мы собираемся посмотреть при воздействии полного гармонического искажения или THD, как это обычно представляется.
В вашей аудиосистеме вы обнаружите полные гармонические искажения в компонентах усиления, будь то в секции предварительного усилителя или усилителя.
Что такое полное гармоническое искажение (THD)?
Искажение — один из наиболее важных факторов для получения наилучшего звука.
Суммарные гармонические искажения — это значение измерения, определяемое разницей между входным сигналом и выходным сигналом усилителя.
Другими словами, насколько близок исходящий сигнал к входному сигналу? В связи с этим можно считать, что чем ниже показатель THD, тем лучше качество звука, так как это будет означать, что аудиосигнал находится в более чистой форме.
При просмотре спецификаций производителя или графиков частот, относящихся к секции усиления конкретной части аудиооборудования, вы обычно видите THD, указанный в процентах.
Чем ниже процент THD, тем лучше. В идеальной ситуации для использования с наушниками, динамиками и наушниками вам нужен уровень общего гармонического искажения, как можно более близкий к нулю.
Действительно ли важны полные гармонические искажения?
Для большинства людей, которые любят слушать музыку, уровень полного гармонического искажения, скорее всего, имеет значение в последнюю очередь.
Почему это? Уровни THD настолько хороши для большинства современных усилителей, что практически не воспринимаются человеческим ухом.
Искажения возникают практически на каждом этапе аудиофильского хобби. Могут быть искажения из-за плохого мастеринга, сжатия файлов, резонанса наушников, реверберации помещения и т. д. Многие факторы могут работать против создания действительно чистого аудиосигнала, и THD — лишь один из них.
Значит, мне не нужно беспокоиться о нелинейных искажениях?
По большей части, я бы сказал нет, вам не нужно беспокоиться о полном гармоническом искажении, поскольку большинство аудиофильских компонентов уже уделяют пристальное внимание его минимизации за пределами человеческого слуха, но это не главное.
Аудиофилы играют в дюймовую игру. Речь идет о минимизации как можно большего количества точек искажения в надежде на то, что конечный результат приведет к заметным улучшениям .
Существует множество преимуществ от доработки других областей вашей аудиосистемы в первую очередь, но не помешает следить за THD и следить за тем, чтобы он был как можно ниже.
Полезные статьи:
Чтобы найти усилитель с наименьшими гармоническими искажениями, ознакомьтесь с нашим списком лучших ЦАПов и усилителей .
Чтобы найти DAP с наименьшим гармоническим искажением, ознакомьтесь с нашим списком лучших музыкальных плееров .
усилительаудиофилыобразованиеобучениеthdполное гармоническое искажение руководство пользователя
Аудиофил Вкл.
Audiophile On предназначен для предоставления обзоров высококачественных портативных аудиоустройств в удобном для понимания формате. Если вам нужны более качественные наушники, наушники, усилители и ЦАП, у нас обязательно найдется что-то на ваш вкус и по цене.
An I — WEN Products
Полное гармоническое искажение: если вы ищете новый генератор или портативную электростанцию, или если вы недовольный и переутомленный студент-электрик, вы можете быть знакомы с этим термином.
Если нет, то простите, если вы подумаете, что это название мультяшного псевдонаучного эффекта супероружия или действительно ужасное название группы. Несмотря на то, что это звучит довольно пугающе, на самом деле это относительно простая концепция, которую вам нужно знать, хотите ли вы совершить осознанную покупку или просто пройти предстоящий промежуточный экзамен.
Общее гармоническое искажение (далее THD) является важным понятием в области сигнальной, электрической и электронной техники и измеряется в процентах (%). Это общее количество искажений в электрическом сигнале, вызванное присутствием гармоник в этом сигнале. Не вдаваясь в подробности, гармоники кратны (2x, 3x, 4x и т. д.) основной частоте сигнала — самой низкой частоте повторяющегося сигнала.
Возьмем конкретный пример. Электроэнергия, которая выходит из настенных розеток в вашем доме, представляет собой электроэнергию переменного тока. Возможно, вы также слышали о мощности постоянного тока.
Разница в том, что мощность переменного тока изменяется ( чередуется с ) с течением времени, тогда как мощность постоянного тока остается практически неизменной. Пример сигналов переменного тока (оранжевый) и постоянного тока (синий) показан ниже.
Переменный ток (оранжевый) и постоянный ток (синий). Показанный здесь сигнал переменного тока имеет форму синусоиды 9.0016 . Подробнее об этом позже.
Мощность переменного тока в вашем доме настроена на стандартную частоту , которая является мерой частоты повторения сигнала, а также на стандартное напряжение . В США мощность переменного тока стандартизирована на уровне 120 вольт, повторяющемся 60 раз в секунду (60 герц, сокращенно Гц).
Все еще со мной? Хороший. Вот тут-то и появляются гармоники. При мощности вашего дома, если вы измерили и построили график, этот сигнал 60 Гц не был бы полностью идеальным. В нем будут небольшие искажения. Это искажение частично происходит из-за гармоник, которые в данном случае будут компонентами сигнала с частотой 120 Гц, 180 Гц, 240 Гц и т.
д. — все они кратны (2 x, 3 x, 4 x, как мы упоминали ранее) основная частота , которая в данном случае составляет 60 Гц. Если бы вы выполнили некоторые математические расчеты с измерениями (которые слишком сложны, чтобы углубляться в них), вы могли бы рассчитать THD.
В зависимости от того, где и как вырабатывается электроэнергия, нагрузки на электросеть, температуры, возраста проводки в вашем доме и многих других факторов, коэффициент нелинейных искажений в электросети вашего дома может различаться. Обычно это от 2% до 3% в любой день для большинства муниципальных районов.
Хороший вопрос. Чем выше THD, тем «грязнее» мощность. Наличие этих дополнительных гармоник может вызвать некоторые непреднамеренные побочные эффекты, в том числе чрезмерный нагрев и чрезмерные радиопомехи, а некоторые чувствительные электронные устройства (например, интеллектуальные устройства, компьютеры, телевизоры и т. д.) могут работать неправильно или вообще не работать, поскольку они склонны ожидать «чистой» (с низким коэффициентом нелинейных искажений) мощности, такой как то, что вы получаете от настенных розеток.
Что это значит для тебя, дорогой читатель? Это означает, что если вы ищете генератор или электростанцию, вам нужно знать несколько вещей:
1. Знайте, что вам нужно для питания.
Наши полезные статьи о том, как выбрать генератор, как работают инверторные генераторы и о преимуществах инверторных генераторов, могут оказаться полезными. Если у вас есть какая-либо чувствительная электроника, которую вам нужно запитать, вам следует серьезно подумать об инверторном генераторе или высококачественной портативной электростанции, поскольку они, как правило, производят мощность с низким коэффициентом нелинейных искажений. Найдите фразу «синусоида» или «чистая синусоида» в списке спецификаций.
2. Знайте, какое устройство вам нужно.
Генераторы обычно дешевле в расчете на ватт, чем портативные электростанции, и часто способны производить больше энергии в целом. Однако это связано с дополнительными требованиями к весу, техническому обслуживанию, шуму и выбросам.
Если вы ищете небольшой источник питания для кемпинга или просто что-то, что позволит вашим телефонам и планшетам заряжаться во время кратковременного отключения электроэнергии, вам может подойти электростанция. Если вам нужно больше энергии или вы не хотите тратить столько денег на ватт, вероятно, лучшим выбором будет генератор.
3. Знайте, какой THD выдает ваш продукт.
Как правило, традиционные генераторы вырабатывают мощность переменного тока с КНИ от 5% до 20%, в зависимости от величины и типа приложенной нагрузки. Инверторные генераторы WEN производят мощность переменного тока с очень низким THD, обычно менее 1,5%, поскольку в них используются инверторы с чистой синусоидой, которые представляют собой устройства, которые (как следует из названия) создают мощность переменного тока, сигналы которой представляют собой чистые синусоидальные волны. Другие генераторы или электростанции могут использовать инверторы, которые создают прямоугольную волну или модифицированная синусоида мощность; схема всех трех типов питания ниже.
